Изобретения, которые изменили мир

3D-принтер

3D-принтер — устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. Создатель 3d принтера Чак Халл Чак Халл является соучредителем, исполнительным вице-президентом и главным техническим директором компании 3D Systems. Именно он изобрел технологию стереолитографии (3D печать), первую в мире коммерческую технологию быстрого прототипирования, а также STL формат файлов. Ему принадлежит свыше 60 патентов США, а также другие патенты по всему миру в области ионной оптики и быстрого прототипирования.

Журналист CNN встретился с Чаком Халлом во Франкфурте, Германия, чтобы обсудить невероятное изобретение и нынешние достижения 3D печати. В 1983, когда у него возникла идея об использовании УФ технологии, ему предоставили для экспериментов маленькую лабораторию. Во время ранних экспериментов, когда материалы застывали и превращались в твердые, это приводило к сокращению и искажениям. Сегодня же, процесс значительно усовершенствовался, как рассказывает Халл.

«Все произошло буквально за последние несколько лет – я имею в виду развитие, распространение и признание. Этому поспособствовало множество факторов, я считаю: достижения в сфере медицины; движение изобретателей, растущий интерес среди арматоров и изобретение недорогих устройств, новых методов 3D печати».

Что происходило с Чаком последние 30 лет? «Что же, всем известно, что мне уже немало лет и я должен был бы уже давно выйти на пенсию, но я этого не сделал. Мне нравится заниматься тем, что я делаю». Технология 3D-печать может осуществляться разными способами и с использованием различных материалов, но в основе любого из них лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдого объекта.

Технологии, применяемые для создания слоев:

Лазерная:

1. Лазерная стереолитография — ультрафиолетовый лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает жидкий фотополимер, либо фотополимер засвечивается ультрафиолетовой лампой через фотошаблон, меняющийся с новым слоем. При этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.
2. Лазерное сплавление — при этом лазер сплавляет порошок из металла или пластика, слой за слоем, в контур будущей детали.
3. Ламинирование — деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контур сечения будущей детали.

Струйная:

1. Застывание материала при охлаждении — раздаточная головка выдавливает на охлаждаемую платформу-основу капли разогретого термопластика. Капли быстро застывают и слипаются друг с другом, формируя слои будущего объекта. 2. Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы — способ похож на предыдущий, но пластик твердеет под действием ультрафиолета. 3. Склеивание или спекание порошкообразного материала — похоже на лазерное спекание, только порошковая основа (подчас на основе измельченной бумаги или целлюлозы) склеивается жидким (иногда клеющим) веществом, поступающим из струйной головки. При этом можно воспроизвести окраску детали, используя вещества различных цветов. Существуют образцы 3D-принтеров, использующих головки струйных принтеров. 4. Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей. 5. Биопринтеры — печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится стволовыми клетками. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта.

Также известны две технологии позиционирования печатающей головки:

Декартова

в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели.

При помощи трёх параллелограммов

Три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке. Расходные материалы

   Лазерная стереолитография (SLA) — объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего, объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя.
   Селективное лазерное спекание — объект формируется из плавкого порошкового материала (пластик, металл) путем его плавления под действием лазерного излучения. Порошкообразный материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (обычно специальным выравнивающим валиком), после чего лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта. Затем платформа опускается на толщину одного слоя и на неё вновь наносится порошкообразный материал. Данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, за счет заполнения пустот порошком. Для уменьшения необходимой для спекания энергии, температура рабочей камеры обычно поддерживается на уровне чуть ниже точки плавления рабочего материала, а для предотвращения окисления, процесс проходит в бескислородной среде.
   Электронно-лучевая плавка — аналогична технологиям SLS/DMLS, только здесь объект формируется путем плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.
   Моделирование методом наплавления — объект формируется путем послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала (пластик, металл, воск). Рабочий материал подаётся в экструзионную головку, которая выдавливает на охлаждаемую платформу тонкую нить расплавленного материала, формируя таким образом текущий слой разрабатываемого объекта. Далее платформа опускается на толщину одного слоя, чтобы можно было нанести следующий слой. Часто в данной технологии участвуют две рабочие головки — одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая — материал поддержки.
   Изготовление объектов с использованием ламинирования — объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала, с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое. За счет отсутствия пустот, данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, однако, удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) в некоторых ситуациях может вызывать затруднения.

Применение принтера

• Для быстрого прототипирования, то есть быстрого изготовления прототипов моделей и объектов для дальнейшей доводки. Уже на этапе проектирования можно кардинальным образом изменить конструкцию узла или объекта в целом. В инженерии такой подход способен существенно снизить затраты в производстве и освоении новой продукции.
• Для быстрого производства — изготовление готовых деталей из материалов, поддерживаемых 3D-принтерами. Это отличное решение для малосерийного производства.
• Изготовление моделей и форм для литейного производства.

• Конструкция из прозрачного материала позволяет увидеть работу механизма «изнутри», что в частности было использовано инженерами Porsche при изучении тока масла в трансмиссии автомобиля ещё при разработке. • Производство различных мелочей в домашних условиях. • Производство сложных, массивных, прочных и недорогих систем. Например беспилотный самолёт Polecat[en] компании Lockheed, большая часть деталей которого была изготовлена методом скоростной трёхмерной печати. • Разработки университета Миссури, позволяющие наносить на специальный био-гель сгустки клеток заданного типа. Развитие данной технологии — выращивание полноценных органов. • В медицине, при протезировании и производстве имплантатов (фрагменты скелета, черепа, костей, хрящевые ткани). Ведутся эксперименты по печати донорских органов. • Для строительства зданий и сооружений. • Для создания компонентов оружия (Defense Distributed). Существуют эксперименты по печати оружия целиком. • Производства корпусов экспериментальной техники (автомобили, телефоны, радио-электронное оборудование) • Пищевое производство

Цена

Цена 3d принтера от 39 тысяч рублей до 80 миллионов рублей. Отличаются точностью построения, материалами, скоростью и размерами изготавливаемых объектов.